Early Observation of t-Quarks in Single-Leptonic t¯t Decays at CMS
Tsirigkas, D. Early Observation of t-Quarks in Single-Leptonic t¯t Decays at CMS. 2009, University of Zurich, Faculty of Science.
Abstract
Diese Arbeit untersucht die Möglichkeit mit den ersten O(10 pb−1) aufgezeichneter Daten des CMS Experiments ein signi�kantes Top-Quark Signal zu extrahieren und den Wirkungsquerschnitt zu messen. Aufgrund des groÿen Wirkungsquerschnitts und der charakteristischen experimentellen Signatur des Single Muon Zerfallkanals (ein isoliertes Muon und vier Jets) wird diese Messung unter den ersten Zielsetzungen des CMS Experiments sein, sowohl aus physikalischen Gründen wie auch um die korrekte Funktionsweise des Detektors zu überprüfen. Aus physikalischer Sicht ist es wichtig, die Standardmodelvorhersage des Wirkungsquerschnitts zu bestätigen. Diese ist zudem für die Suche nach Higgs-Bosonen wichtig, da dort t¯t Produktion ein Untergrund ist. Zudem kann, mit Hilfe einer durch Signal angereicherte Datenprobe, die invariante Masse des hadronisch zerfallendenW-Bosons bestimmt werden und dadurch die auf Monte Carlo Simulationen basierende Jet Energieskala korrigiert werden. Da in der Anfangszeit der Datennahme das Verständniss des CMS Detektors beschränkt sein wird, sollte die Analyse nur einfache rekonstruierte Gröÿen verwenden. Die gröÿten Fehlerquellen werden die Jet-Energieskala, die Anfangsbedingungen des Detektors (Ausrichtung der Spurkammer und Fehleichung des Kalorimeters) sowie Untergundereignisse, deren Anzahl von den anfänglichen LHC Parametern abh ängen wird , sein. Aufgrund des hohen t¯t Produkionswirkungsqueschnitts werden die systematischen Fehler die statistischen Fehler schon bald nach Inbetriebnahme des LHC übertre�en. Deshalb ist es für eine frühe Messung unerlässlich diese E�ekte zu untersuchen. Solche Studien können durchgeführt werden, indem man verschiedene Monte Carlo Stichproben, ausgehend von den gleichen Generator Level Ereignissen, erstellt, die einmal den zu untersuchenden Detektor-E�ekt beinhalten und einmal nicht. Zur Untersuchung verschiedener systematischer E�ekte müssen also mehrere solcher Monte-Carlo Stichproben erstellt werden. Dies war nur mit Hilfe einer Fast Simulation Software für das CMS Experiment möglich, welche jedoch , zum Zeitpunkt des Beginns dieser Arbeit, noch nicht kompatibel mit der Analyse-Software der Top-Quark-Physikgruppe war. Daraus folgend war der erste Schritt, eine Schnittstelle zwischen der Analyse-Software und der Fast Simulation zu entwickeln, eine Aufgabe die nicht nur dieser Arbeit zugute kam, sondern auch Top-Quark Messungen in anderen Kanälen. Des Weiteren wurden im Rahmen dieser Arbeit die Detektor Anfangskon�guration in der Fast Simulation implementiert. Im Anschluss daran, wurden alle in dieser Analyse verwendeten Stichproben auf lokalen Computern am CERN produziert. Nachdem lösen dieser technischen Probleme richtete sich das Augenmerk auf die De�nition einer Selektionsstrategie welche die Auswahl einer möglichst reinen Probe an t¯t ! W−(! μ�)bW+(! q¯q0)¯b Ereignissen sicherstellt. Hierbei gab es zwei Schritte, zuerst wurde ein e�zienter Weg gesucht, mit der der Untergrund gegenüber der physikalischen Prozess von Interesse unterdrückt werden kann. Dabei wurde jeder der Haupt-Untergrundprozesse (W-Boson und QCD Multijet sowie SingleTop Ereignisse) einzeln untersucht und unterschiedliche Kontrollmethoden entwickelt. Nun wurden verschiedene Möglichkeiten die rekonstruierten Jets eines Ereignisses mit den Endzustands Teilchen zu assoziieren evaluiert. Dies ist nötig, um die drei Jets des hadronischen Top-Quark Zerfalls zu bestimmen und die invariante Masse zu rekonstruieren. Eine Reihe verschiedener Möglichkeiten wurde in Betracht gezogen und systematisch verglichen. Hierbei wurde festgestellt, dass die De�nition bestimmter Jet-Parton Paarungen nicht nur den kombinatorischen Untergrund reduzieren, sondern ebenfalls den W-Boson, QCD und Single Top Untergrund, was zu einer Reinheit von bis zu 72% führen kann. Mit einer Stichprobe mit einem hohen Reinheitsgrad wurde die Möglichkeit einer frühen "Wiederentdeckung" des Top-Quarks untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass mit den ersten O(10pb−1) integrierter Luminosität tatsächlich ein signi�kantes Signal (5�) extrahiert werden kann. Drei verschiedene Möglichkeiten den t¯t Produktions-Wirkungsquerschnitt zu messen wurden untersucht. Bei der Ersten handelt es sich um eine einfache Ereignis-Zählung, bei der überschüssige beobachtete Ereignisse dem Signal zugerechnet werden. Die anderen beiden Methoden verwenden einen Maximum Likelihood Fit der invarianten Topmasse und der Jet Multiplizität, welche aus Monte Carlo Simulationen bestimmt werden. Das beste Resultat liefert der Fit der Jet Multiplizität, die statistische Ungenauigkeit beträgt 11% und die systematische Ungenauigkeit 33%, wobei die Hauptquelle der systematischen Ungenauigkeit in der Jet Energieskala ist. Es ist möglich, diese Ungenauigkeit auf Kosten der statistischen Genauigkeit zu reduzieren. In beiden Fällen ist es nach den ersten O(10pb−1) wichtiger, die Ungenauigkeit der Jet Energieskala zu reduzieren, als die statistische Ungenauigkeit.
Abstract
Diese Arbeit untersucht die Möglichkeit mit den ersten O(10 pb−1) aufgezeichneter Daten des CMS Experiments ein signi�kantes Top-Quark Signal zu extrahieren und den Wirkungsquerschnitt zu messen. Aufgrund des groÿen Wirkungsquerschnitts und der charakteristischen experimentellen Signatur des Single Muon Zerfallkanals (ein isoliertes Muon und vier Jets) wird diese Messung unter den ersten Zielsetzungen des CMS Experiments sein, sowohl aus physikalischen Gründen wie auch um die korrekte Funktionsweise des Detektors zu überprüfen. Aus physikalischer Sicht ist es wichtig, die Standardmodelvorhersage des Wirkungsquerschnitts zu bestätigen. Diese ist zudem für die Suche nach Higgs-Bosonen wichtig, da dort t¯t Produktion ein Untergrund ist. Zudem kann, mit Hilfe einer durch Signal angereicherte Datenprobe, die invariante Masse des hadronisch zerfallendenW-Bosons bestimmt werden und dadurch die auf Monte Carlo Simulationen basierende Jet Energieskala korrigiert werden. Da in der Anfangszeit der Datennahme das Verständniss des CMS Detektors beschränkt sein wird, sollte die Analyse nur einfache rekonstruierte Gröÿen verwenden. Die gröÿten Fehlerquellen werden die Jet-Energieskala, die Anfangsbedingungen des Detektors (Ausrichtung der Spurkammer und Fehleichung des Kalorimeters) sowie Untergundereignisse, deren Anzahl von den anfänglichen LHC Parametern abh ängen wird , sein. Aufgrund des hohen t¯t Produkionswirkungsqueschnitts werden die systematischen Fehler die statistischen Fehler schon bald nach Inbetriebnahme des LHC übertre�en. Deshalb ist es für eine frühe Messung unerlässlich diese E�ekte zu untersuchen. Solche Studien können durchgeführt werden, indem man verschiedene Monte Carlo Stichproben, ausgehend von den gleichen Generator Level Ereignissen, erstellt, die einmal den zu untersuchenden Detektor-E�ekt beinhalten und einmal nicht. Zur Untersuchung verschiedener systematischer E�ekte müssen also mehrere solcher Monte-Carlo Stichproben erstellt werden. Dies war nur mit Hilfe einer Fast Simulation Software für das CMS Experiment möglich, welche jedoch , zum Zeitpunkt des Beginns dieser Arbeit, noch nicht kompatibel mit der Analyse-Software der Top-Quark-Physikgruppe war. Daraus folgend war der erste Schritt, eine Schnittstelle zwischen der Analyse-Software und der Fast Simulation zu entwickeln, eine Aufgabe die nicht nur dieser Arbeit zugute kam, sondern auch Top-Quark Messungen in anderen Kanälen. Des Weiteren wurden im Rahmen dieser Arbeit die Detektor Anfangskon�guration in der Fast Simulation implementiert. Im Anschluss daran, wurden alle in dieser Analyse verwendeten Stichproben auf lokalen Computern am CERN produziert. Nachdem lösen dieser technischen Probleme richtete sich das Augenmerk auf die De�nition einer Selektionsstrategie welche die Auswahl einer möglichst reinen Probe an t¯t ! W−(! μ�)bW+(! q¯q0)¯b Ereignissen sicherstellt. Hierbei gab es zwei Schritte, zuerst wurde ein e�zienter Weg gesucht, mit der der Untergrund gegenüber der physikalischen Prozess von Interesse unterdrückt werden kann. Dabei wurde jeder der Haupt-Untergrundprozesse (W-Boson und QCD Multijet sowie SingleTop Ereignisse) einzeln untersucht und unterschiedliche Kontrollmethoden entwickelt. Nun wurden verschiedene Möglichkeiten die rekonstruierten Jets eines Ereignisses mit den Endzustands Teilchen zu assoziieren evaluiert. Dies ist nötig, um die drei Jets des hadronischen Top-Quark Zerfalls zu bestimmen und die invariante Masse zu rekonstruieren. Eine Reihe verschiedener Möglichkeiten wurde in Betracht gezogen und systematisch verglichen. Hierbei wurde festgestellt, dass die De�nition bestimmter Jet-Parton Paarungen nicht nur den kombinatorischen Untergrund reduzieren, sondern ebenfalls den W-Boson, QCD und Single Top Untergrund, was zu einer Reinheit von bis zu 72% führen kann. Mit einer Stichprobe mit einem hohen Reinheitsgrad wurde die Möglichkeit einer frühen "Wiederentdeckung" des Top-Quarks untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass mit den ersten O(10pb−1) integrierter Luminosität tatsächlich ein signi�kantes Signal (5�) extrahiert werden kann. Drei verschiedene Möglichkeiten den t¯t Produktions-Wirkungsquerschnitt zu messen wurden untersucht. Bei der Ersten handelt es sich um eine einfache Ereignis-Zählung, bei der überschüssige beobachtete Ereignisse dem Signal zugerechnet werden. Die anderen beiden Methoden verwenden einen Maximum Likelihood Fit der invarianten Topmasse und der Jet Multiplizität, welche aus Monte Carlo Simulationen bestimmt werden. Das beste Resultat liefert der Fit der Jet Multiplizität, die statistische Ungenauigkeit beträgt 11% und die systematische Ungenauigkeit 33%, wobei die Hauptquelle der systematischen Ungenauigkeit in der Jet Energieskala ist. Es ist möglich, diese Ungenauigkeit auf Kosten der statistischen Genauigkeit zu reduzieren. In beiden Fällen ist es nach den ersten O(10pb−1) wichtiger, die Ungenauigkeit der Jet Energieskala zu reduzieren, als die statistische Ungenauigkeit.
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